平板式太陽能吸附式制冷技術(shù)模擬研究

王壯遠，安永亮，楊瑞雪，齊 東，張 垚

（華北理工大學(xué)遷安學(xué)院 河北 遷安 064400）

平板式太陽能吸附式制冷技術(shù)模擬研究

王壯遠，安永亮，楊瑞雪，齊 東，張 垚

（華北理工大學(xué)遷安學(xué)院 河北 遷安 064400）

本課題以“太陽能吸附式制冷技術(shù)的模擬研究”為項目主題，設(shè)計一套平板式太陽能吸附式制冷系統(tǒng)，然后根據(jù)唐山地區(qū)在夏季8～9月份的太陽輻射強度、室外溫度等數(shù)據(jù)，用Matlab7.0軟件編制程序，對吸附床內(nèi)溫度、吸附率、系統(tǒng)的制冷系數(shù)進行模擬計算。

吸附制冷；太陽能；模擬

1 太陽能平板式吸附式制冷系統(tǒng)設(shè)計

吸附床的結(jié)構(gòu)有很多，其中平板結(jié)構(gòu)的集熱吸附床應(yīng)用廣泛[1]。板式集熱器模型如圖1所示。模型設(shè)計為厚度為2mm的不銹鋼板制成，邊長為700mm的正方形集熱床，并用同樣厚度的鋼板將集熱床分割成大小相同的49個小分隔。集熱床下面鋪上兩張鋼絲網(wǎng)。

目前常用的吸附劑主要有活性炭、沸石和硅膠等，本項目選擇活性炭作為吸附劑。制冷劑為甲醇，甲醇具有制冷溫度低，汽化潛熱大的優(yōu)點。

太陽能平板式吸附式制冷系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示，其工作過程為白天平板集熱吸附床接收太陽的熱能，吸附床內(nèi)溫度逐漸升高，與此同時壓力也隨著升高。在高溫高壓下，被吸附劑活性炭吸附的氣態(tài)制冷劑甲醇脫附出來，沿著管道流進冷凝器。在冷凝器的冷卻作用下，氣態(tài)甲醇被冷凝成甲醇液體。液態(tài)的甲醇經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降壓，低溫低壓的液態(tài)甲醇在進入蒸發(fā)器吸收汽化潛熱，從液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)，從而產(chǎn)生制冷效應(yīng)。到了夜晚，太陽輻射程度、環(huán)境溫度降低，從而吸附床被冷卻，甲醇蒸汽就又會被吸附床內(nèi)的活性炭吸附。從而實現(xiàn)循環(huán)，不斷地產(chǎn)生制冷效應(yīng)。

圖2 太陽能平板吸附式制冷系統(tǒng)工作原理圖

2 計算模型假設(shè)

利用Matlab軟件進行模擬計算。計算時采取以下假設(shè)[2]：

（1）氣體在系統(tǒng)內(nèi)視為理想氣體。

（2）吸附床內(nèi)的壓力大小僅隨溫度變化，且均勻分布。吸附劑活性炭與制冷劑甲醇之間傳熱無溫差。

（3）活性炭在吸附床內(nèi)的吸附速率滿足Dubinin平衡吸附方程。

（4）吸附床內(nèi)活性炭為均質(zhì)，比熱為常數(shù)，為簡化計算傳質(zhì)時產(chǎn)生的阻力忽略不計。

（5）模型結(jié)構(gòu)為剛性材料且固定不動，密度ρ可取為常數(shù)。

（6）甲醇液體吸附在活性炭的孔隙內(nèi)且固定不移動，且無任何反應(yīng)發(fā)生。

采用集總參數(shù)法，認為集熱吸附床是一整體，處于平衡狀態(tài)[3，4]。唐山地區(qū)為北緯39.36，東經(jīng)118.11，海拔300～600m，取400m。唐山地區(qū)在8～9月份水平地面上瞬時太陽總輻射最大強度約為537.5W/m2。

3 分析計算結(jié)果

模擬計算分為三個過程進行，計算結(jié)果如圖3所示。上午6時-11時，可簡化為等容吸熱過程[5]。中午11時-14時30分，可簡化為等壓吸熱過程。下午4∶30～18∶30，可簡化為等容冷卻過程。然后利用ATLAB7.0軟件進行實驗結(jié)果的模擬實驗。

圖3 6∶00～11∶00平板集熱床溫度變化曲線

圖4 11∶00～14∶30平板集熱床溫度變化曲線

如圖3所示，在6時～7時30分時間內(nèi)曲線較平緩，這是因為早上的時候太陽輻射強度不高，所以集熱吸附床內(nèi)吸收的熱量較少，故溫度升高得很慢。在7時30分后，曲線很陡，這是由于隨著時間的增加，太陽輻射出的熱量逐漸增多，所以集熱床內(nèi)溫度就上升得很快。結(jié)束時溫度大概為338K（66℃）。

如圖4所示，11時將冷凝閥門打開，氣態(tài)制冷劑甲醇從活性炭中脫附出來，然后流入冷凝器中被冷凝成液態(tài)甲醇。14∶30時平板集熱床的溫度可達到81℃。

圖5 14∶30～16∶30平板集熱床溫度變化曲線

圖6 吸附速度隨時間的變化關(guān)系

如圖5所示，當(dāng)在14∶30對集熱床自然冷卻時，其溫度迅速下降，第三階段平板集熱床終為17℃。圖6為吸附速度與時間的變化關(guān)系。最后，計算得到制冷系數(shù)為COP=0.3402。

4 太陽能固體吸附式制冷技術(shù)目前存在的問題

根據(jù)計算COP=0.3402，平板式太陽能吸附式制冷技術(shù)在唐山地區(qū)的制冷系數(shù)是比較低的。經(jīng)實驗研究表明，太陽能吸附式制冷主要存在以下難點。

（1）吸附式制冷基本循環(huán)不能實現(xiàn)連續(xù)制冷，吸附床傳熱傳質(zhì)性能差，吸附、解吸所需的時間長，循環(huán)周期長，系統(tǒng)調(diào)節(jié)滯后時間長，制冷功率低，制冷系數(shù)小，能量利用率低[6]。

（2）晚上制冷不符合空調(diào)用能規(guī)律，限制了太陽能吸附式制冷的應(yīng)用。

（3）太陽能是低品位能源，且供能不連續(xù)，太陽能集熱技術(shù)難以保證高溫而穩(wěn)定的驅(qū)動熱源，因此，系統(tǒng)需要較低的驅(qū)動溫度。

[1]趙加佩，陳寧，凍小飛.太陽能吸附式制冷技術(shù)進展綜述[J].能源研究與信息，2007，23(1): 23-27.

[2]劉家林，鄭學(xué)林.太陽能固體吸附式制冷技術(shù)的研究與進展[J].綠色科技，2011，9(9):188-191.

[3]李生璐，杜濤.太陽能吸附式制冷技術(shù)[J].第七屆全國能源與熱工學(xué)術(shù)年：329-335.

[4]范介清，羅斌等.翅片管整體傳熱傳質(zhì)強化的太陽能吸附式制冷系統(tǒng)性能研究[J]太陽能學(xué)報,2014,35(9):1663-1669.

[5]王如竹.吸附式制冷[M].北京：機械工業(yè)出版社，2002，1-20.

[6]李東明，姜耀儉，王志國，李慶，項新耀.太陽能吸附式制冷吸附床的熱力計算方法[J].太陽能學(xué)報，2003,24(4):483-487.

TK519 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】1009-5624（2018）02-0060-02

課題：華北理工大學(xué)遷安學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新性實驗項目 項目編號Q201603

指導(dǎo)教師：何紅葉